Java 内存模型

Java 内存模型的抽象

在 java 中,所有实例域、静态域和数组元素存储在堆内存中,堆内存在线程之间共享(本文使用“共享变量”这个术语代指实例域,静态域和数组元素)。局部变量(Local variables),方法定义参数(java 语言规范称之为 formal method parameters)和异常处理器参数(exception handler parameters)不会在线程之间共享,它们不会有内存可见性问题,也不受内存模型的影响。

Java 线程之间的通信由 Java 内存模型(本文简称为 JMM)控制,JMM 决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。从抽象的角度来看,JMM 定义了线程和主内存之间的抽象关系:线程之间的共享变量存储在主内存(main memory)中,每个线程都有一个私有的本地内存(local memory),本地内存中存储了该线程以读 / 写共享变量的副本。本地内存是 JMM 的一个抽象概念,并不真实存在。它涵盖了缓存,写缓冲区,寄存器以及其他的硬件和编译器优化。

重排序

在执行程序时为了提高性能,编译器和处理器常常会对指令做重排序。重排序分三种类型:

编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下,可以重新安排语句的执行顺序。

指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术(Instruction-Level Parallelism, ILP)来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性,处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。

内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读 / 写缓冲区,这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

处理器重排序与内存屏障指令

现代的处理器使用写缓冲区来临时保存向内存写入的数据。写缓冲区可以保证指令流水线持续运行,它可以避免由于处理器停顿下来等待向内存写入数据而产生的延迟。同时,通过以批处理的方式刷新写缓冲区,以及合并写缓冲区中对同一内存地址的多次写,可以减少对内存总线的占用。虽然写缓冲区有这么多好处,但每个处理器上的写缓冲区,仅仅对它所在的处理器可见。这个特性会对内存操作的执行顺序产生重要的影响:处理器对内存的读 / 写操作的执行顺序,不一定与内存实际发生的读 / 写操作顺序一致!

happens-before

从 JDK5 开始,java 使用新的 JSR -133 内存模型(本文除非特别说明,针对的都是 JSR- 133 内存模型)。JSR-133 提出了 happens-before 的概念,通过这个概念来阐述操作之间的内存可见性。如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见,那么这两个操作之间必须存在 happens-before 关系。这里提到的两个操作既可以是在一个线程之内,也可以是在不同线程之间。 与程序员密切相关的 happens-before 规则如下:

程序顺序规则:一个线程中的每个操作,happens- before 于该线程中的任意后续操作。

监视器锁规则:对一个监视器锁的解锁,happens- before 于随后对这个监视器锁的加锁。

volatile 变量规则:对一个 volatile 域的写,happens- before 于任意后续对这个 volatile 域的读。

传递性:如果 A happens- before B,且 B happens- before C,那么 A happens- before C。

程序顺序规则

根据 happens- before 的程序顺序规则,上面计算圆的面积的示例代码存在三个 happens- before 关系:

A happens- before B;

B happens- before C;

A happens- before C;

这里的第 3 个 happens- before 关系,是根据 happens- before 的传递性推导出来的。

这里 A happens- before B,但实际执行时 B 却可以排在 A 之前执行(看上面的重排序后的执行顺序)。在第一章提到过,如果 A happens- before B,JMM 并不要求 A 一定要在 B 之前执行。JMM 仅仅要求前一个操作(执行的结果)对后一个操作可见,且前一个操作按顺序排在第二个操作之前。这里操作 A 的执行结果不需要对操作 B 可见;而且重排序操作 A 和操作 B 后的执行结果,与操作 A 和操作 B 按 happens- before 顺序执行的结果一致。在这种情况下,JMM 会认为这种重排序并不非法(not illegal),JMM 允许这种重排序。

在计算机中,软件技术和硬件技术有一个共同的目标:在不改变程序执行结果的前提下,尽可能的开发并行度。编译器和处理器遵从这一目标,从 happens- before 的定义我们可以看出,JMM 同样遵从这一目标。